摘 要：

首先測(cè)試了非晶合金與硅鋼鐵心的磁化和損耗性能，將測(cè)取參數(shù)應(yīng)用于YKK3552-4型籠型200 kW三相異步電動(dòng)機(jī)的二維電磁有限元仿真，分析了電機(jī)在兩種不同鐵心材料組合下的能效特性：一是定子采用非晶合金鐵心，轉(zhuǎn)子采用硅鋼鐵心；二是定子和轉(zhuǎn)子均采用硅鋼鐵心。結(jié)果表明異步電動(dòng)機(jī)滿載時(shí)組合鐵心電機(jī)鐵耗最小，但磁飽和問(wèn)題突出，額定電壓下組合鐵心電機(jī)的空載電流可達(dá)額定電流的1.1倍，繞組銅耗最大。隨后對(duì)運(yùn)行電壓降低時(shí)的混合鐵心電機(jī)損耗情況進(jìn)行仿真，當(dāng)降壓4%時(shí)電機(jī)能效特性達(dá)到最優(yōu)。最后在3 kW樣機(jī)上進(jìn)行了能效測(cè)試，驗(yàn)證了降壓運(yùn)行的效果。為易飽和非晶材料在交流電機(jī)中應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，通過(guò)降低運(yùn)行電壓實(shí)現(xiàn)非晶定子鐵心電機(jī)低耗、高效是一條可行技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：非晶合金；三相鼠籠式異步電機(jī)；能效特性；磁飽和；降壓

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.002

中圖分類(lèi)號(hào)：TM343

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）09-0011-11

收稿日期： 2024-03-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52277048，52207053）；河北省自然科學(xué)基金（E2020502064）

作者簡(jiǎn)介：武玉才（1982—），男，博士，教授，研究方向?yàn)榇笮碗姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷;

武勝?。?000—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦丸F磁材料的三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研究；

紀(jì) 璇（1982—），女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榇笮碗姍C(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷；

劉建民（1970—），男，工程師，研究方向?yàn)榉蔷?、納米晶材料的生產(chǎn)研發(fā)。

通信作者：紀(jì) 璇

Energy efficiency analysis of three-phase squirrel-cage asynchronous motor with amorphous alloy-silicon steel hybrid core

WU Yucai1， WU Shengqu1， JI Xuan1， LIU Jianmin2

（1.Hebei Key Laboratory of Green and Efficient New Electrical Materials and Equipment， North China Electric Power University， Baoding 071003， China; 2. Renqiu Yuda Electrical Technology Co.， Ltd.， Cangzhou 062550， China）

Abstract：

The magnetization and loss performance of amorphous alloy and silicon steel cores were tested， the measured parameters were applied to the two-dimensional electromagnetic finite element simulation of the YKK3552-4 type squirrel cage 200 kW three-phase asynchronous motor. The energy efficiency characteristics of the motor under two different combinations of core materials were analyzed： one is the stator using amorphous alloy core and the rotor using silicon steel core; the other is both the stator and rotor using silicon steel core. The results show that the iron loss of the combined iron core motor is the smallest when the asynchronous motor is fully loaded， but the magnetic saturation problem is prominent. Under the rated voltage， the no-load current of the combined iron core motor can reach 1.1 times the rated current， and the winding copper loss is the largest. Subsequently， the loss of the hybrid iron core motor with reduced operating voltage was simulated， and when the voltage was reduced by 4%， the motor’s energy efficiency characteristics reached the optimal level. Finally， an energy efficiency test was conducted on a 3 kW prototype to verify the effect of voltage reduction operation. This study lays a theoretical foundation for the application of easily saturated amorphous materials in AC motors. It is a feasible technical path to achieve low consumption and high efficiency of amorphous stator iron core motors by reducing the operating voltage.

Keywords：amorphous alloy; three-phase squire-cage asynchronous motor; energy efficiency characteristics; magnetic saturation; reduction voltage

0 引 言

籠型異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電力驅(qū)動(dòng)，其耗電量占年發(fā)電量的50%以上［1-3］。因此，提高感應(yīng)電機(jī)效率對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有極大貢獻(xiàn)。非晶材料作為一種新型鐵磁材料，具有高磁導(dǎo)率、窄磁滯回線及低損耗的特點(diǎn)，是影響電機(jī)能效的一個(gè)重要因素［4-6］，研究該材料在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

近些年非晶材料在電機(jī)領(lǐng)域逐漸得到重視。文獻(xiàn)［7］利用非晶合金作為主材料，對(duì)一臺(tái)60 kW電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)減重7.95%，并顯著降低了鐵心損耗。文獻(xiàn)［8］通過(guò)對(duì)兩臺(tái)18 kW、定子鐵心分別采用硅鋼和非晶合金的永磁同步電機(jī)進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)證明了在高速區(qū)非晶電機(jī)相比于硅鋼電機(jī)具有鐵耗小以及效率高的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［9］通過(guò)對(duì)Y160M-4型11 kW三相異步電機(jī)的有限元仿真證明使用非晶合金Metglas2605SA1的定子鐵心相比硅鋼D23_50定子鐵心其總損耗降低16.8%，效率提高1.8%，功率因數(shù)提高0.015。文獻(xiàn)［10］將11 kW，36 000 r/min的四極永磁電機(jī)采用非晶定子鐵心，在高頻時(shí)發(fā)現(xiàn)非晶合金鐵心磁密工作點(diǎn)可以高于硅鋼定子鐵心，使其額定功率相比傳統(tǒng)電機(jī)高，證明了非晶合金可以提高電機(jī)的功率密度，同時(shí)電機(jī)效率也提高了2.2%。文獻(xiàn)［11］采用非晶合金作為1.1 kW高速異步電機(jī)定子鐵心材料，并對(duì)定子槽型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比普通硅鋼電機(jī)，效率提高7.12%，為非晶合金在高速異步電機(jī)中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。已有研究文獻(xiàn)表明，目前非晶合金在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用大多集中于永磁電機(jī)以及小型高速異步電機(jī)方向，且定子鐵心普遍采用疊壓式非晶鐵心，雖能減少損耗，但由于非晶合金具有薄而脆的特點(diǎn)［12］（疊片厚度一般為0.03 mm），制造疊壓式鐵心工藝復(fù)雜、成本高，且鐵心的疊壓系數(shù)低（一般低于0.95），加之非晶合金的工作磁密較低，使得電機(jī)整體的功率密度較低。相對(duì)于疊壓式鐵心，塊狀非晶合金作為電機(jī)定子具有更簡(jiǎn)單的制造工藝和更低的成本，在電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用具有更大的潛力，關(guān)鍵是其能效特性能否令用戶滿意。在多數(shù)文獻(xiàn)中，為提高疊壓式非晶定子鐵心電機(jī)運(yùn)行效率，通常改變定子鐵心結(jié)構(gòu)達(dá)到提升電機(jī)能效的目的，但該種方法增加了非晶鐵心的制造難度，使其難以推廣。

本文使用塊狀非晶材料作為異步電機(jī)定子鐵心，探究采用混合鐵心（定子為非晶合金鐵心，轉(zhuǎn)子為硅鋼鐵心）和純硅鋼鐵心的三相籠型異步電機(jī)的損耗和效率狀態(tài)。針對(duì)非晶合金鐵心飽和磁密低及過(guò)飽和導(dǎo)致的銅耗增大問(wèn)題，在不改變非晶電機(jī)定子鐵心結(jié)構(gòu)情況下，提出通過(guò)降低電機(jī)額定運(yùn)行電壓減小其內(nèi)部磁通密度，進(jìn)而達(dá)到減小定子電流和銅耗的目的。結(jié)合有限元以定子采用非晶材料的YKK3552-4型200 kW三相籠型異步電機(jī)為例，分析混合鐵心電機(jī)小幅降壓2%、4%、6%、8%的能效特性，并使用3 kW測(cè)試樣機(jī)依次降壓2%、4%對(duì)其可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)能效測(cè)試平臺(tái)證實(shí)小幅降壓對(duì)混合鐵心電機(jī)能效提升的效果。

1 電機(jī)損耗模型

1.1 鐵耗模型

Bertotti常系數(shù)三項(xiàng)式是常用的鐵耗計(jì)算模型，該模型將電機(jī)鐵耗劃分為磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗三類(lèi)［13-14］。模型表示為

PBertotti=Ph+Pe+Pa=khB2f+keB2f2+kaB1.5f1.5。（1）

式中：PBertotti是電機(jī)鐵心總損耗；Ph、Pe、Pa分別表示電機(jī)鐵心的磁滯損耗、渦流損耗以及附加損耗；kh、ke、ka分別為其對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)。kh、ka可根據(jù)鐵心損耗曲線進(jìn)行擬合求得。疊壓式鐵心渦流損耗系數(shù)ke表達(dá)式為

ke=π2d26ρρc。（2）

式中：d為硅鋼片厚度；ρ為硅鋼片密度；ρc為硅鋼片電阻率。

式（2）適用于疊壓式鐵心渦流損耗系數(shù)求解，對(duì)于實(shí)心固體鐵心，渦流損耗計(jì)算［15］算式為

Pe=π2d2Vγ6B2f2。（3）

其中d為渦流趨膚深度，即

d=1πfγμm。（4）

式中：V為存在渦流損耗的體積；γ為鐵心材料的電導(dǎo)率；μm為鐵心材料的磁導(dǎo)率。

將渦流趨膚深度d代入式（3）得

Pe=πV6fμmB2f2。（5）

故塊狀鐵心渦流損耗系數(shù)表達(dá)為

ke=πV6fμm。（6）

1.2 銅耗模型

1.2.1 定子銅耗

異步電機(jī)在三相正弦電壓供電時(shí)，由于磁飽和因素影響，定子側(cè)會(huì)產(chǎn)生高頻奇數(shù)次諧波［16］，為計(jì)及不同諧波對(duì)定子側(cè)銅損的影響，定子銅損計(jì)算公式為

psCu=1nT∫nT0Rp（i2A+i2B+i2C）dt。（7）

式中：psCu是定子繞組銅耗；T是定子繞組的電流周期；n是周期數(shù)；Rp是定子相電阻；iA、iB、iC分別是定子相電流關(guān)于時(shí)間函數(shù)的時(shí)域瞬時(shí)值。

1.2.2 轉(zhuǎn)子銅耗

定子諧波磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生高次諧波電流，導(dǎo)致導(dǎo)條電流密度分布不均，無(wú)法采用均值或某點(diǎn)的電流密度反映轉(zhuǎn)子導(dǎo)條整體的電流密度分布。因此可借助有限元數(shù)值計(jì)算工具，求解出轉(zhuǎn)子導(dǎo)條每個(gè)單元格內(nèi)的銅耗，再對(duì)每個(gè)單元格銅耗進(jìn)行求和［17］，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條表達(dá)式為

prCu1=∑Δ∑k1σlefSΔJ2Δk。（8）

式中：prCu1是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條總損耗；SΔ是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條單元剖分的面積；JΔk是導(dǎo)條剖分單元內(nèi)的電流密度有效值；σ是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的電導(dǎo)率；lef是導(dǎo)條的有效長(zhǎng)度。

除轉(zhuǎn)子導(dǎo)條損耗外，還需考慮轉(zhuǎn)子端環(huán)損耗：

prCu2=∑2Z2j=1I2ejRej。（9）

式中：prCu2是轉(zhuǎn)子端環(huán)總損耗；Z2是轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)；Iej是第j段端環(huán)電流的有效值；Rej是第j段的端環(huán)電阻。

結(jié)合式（8）、式（9），可得轉(zhuǎn)子總銅耗表達(dá)式為

PrCu=PrCu1+PrCu2。（10）

2 數(shù)值仿真分析

通過(guò)有限元軟件搭建YKK3552-4型籠型200 kW電機(jī)的二維瞬態(tài)場(chǎng)仿真模型。電機(jī)基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)模型如表1和圖1所示。

在模型材料屬性設(shè)置階段，為準(zhǔn)確設(shè)置鐵心材料參數(shù)，需依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)非晶合金與硅鋼鐵心進(jìn)行電磁性能測(cè)試，圖2是主要思路框圖。

仿真電機(jī)的定子鐵心分別采用非晶合金和疊壓系數(shù)為0.97的硅鋼片，轉(zhuǎn)子鐵心均采用疊壓系數(shù)0.97的硅鋼片。測(cè)試方法原理如圖3［18］所示，圖中，激勵(lì)線圈與測(cè)試線圈的匝數(shù)比為N1/N2=46/23。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，令非晶鐵心與硅鋼鐵心激勵(lì)側(cè)繞線方向一致，感應(yīng)側(cè)繞線方向相反。圖4為實(shí)驗(yàn)波形。圖中：U1與U2分別為激勵(lì)線圈與測(cè)試線圈的電壓波形；Im為激勵(lì)側(cè)的電流波形。可以看到，激勵(lì)側(cè)與感應(yīng)側(cè)電壓相位差分別為0°和180°；非晶合金與硅鋼鐵心一次線圈的電壓、電流相位差分別為79°和54°；U2側(cè)電壓均未出現(xiàn)畸變，表明試樣未飽和。

在50 Hz基頻下B-H、B-P及B-μr曲線如圖5所示。非晶合金的飽和磁密及單位鐵損均低于硅鋼鐵心，在磁密為0.4 T時(shí)，硅鋼單位鐵損是實(shí)心非晶合金鐵損的6.24倍。在磁密較低時(shí)，非晶合金的相對(duì)磁導(dǎo)率大于硅鋼，隨著飽和深度加重，兩者磁導(dǎo)率都出現(xiàn)下降，但非晶材料下降更快，當(dāng)磁密超過(guò)0.7 T時(shí)，硅鋼的磁導(dǎo)率大于非晶合金鐵心。

依據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)鐵損系數(shù)進(jìn)行擬合，得到鐵心損耗表達(dá)式（1）中各系數(shù)值如表2所示。圖6是兩種鐵心損耗密度的計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)值對(duì)比。

使用上述電磁實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所測(cè)數(shù)據(jù)，在有限元材料庫(kù)中定義非晶合金與硅鋼的材料屬性，應(yīng)用于YKK3552-4型籠型200 kW電機(jī)模型，并在二維瞬態(tài)場(chǎng)完成仿真模擬。

電機(jī)定子電流如圖7所示，圖8是電機(jī)滿載運(yùn)行從啟動(dòng)至穩(wěn)態(tài)時(shí)損耗隨時(shí)間變化曲線。鐵損整體變化為先增大后減小，最后基本保持不變。原因是電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)電流較大（如圖7（a）所示），在初始階段漏阻抗壓降大，導(dǎo)致鐵心磁密很低，因此盡管轉(zhuǎn)子磁密交變頻率較大（接近50 Hz），但電機(jī)整體鐵耗仍較低。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，啟動(dòng)電流有所下降，鐵心磁密上升，導(dǎo)致定子鐵心損耗存在一個(gè)極大值。轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵心磁密交變頻率顯著降低，導(dǎo)致其鐵耗大幅下降，磁飽和現(xiàn)象進(jìn)一步限制了磁密增長(zhǎng)，故整體鐵耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。機(jī)組穩(wěn)定后，電機(jī)鐵耗基本維持不變。圖8中還可以看到，機(jī)組穩(wěn)定后，鐵耗存在波動(dòng)，一方面因電機(jī)運(yùn)行電壓較高，鐵心局部飽和，磁阻增加，磁通密度降低且分布不均；另一方面由于轉(zhuǎn)子斜槽存在，導(dǎo)致磁場(chǎng)產(chǎn)生扭曲和畸變，使得磁通密度在定、轉(zhuǎn)子鐵心產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而影響鐵耗的變化。

表3是兩種電機(jī)滿載運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的平均鐵損，可見(jiàn)，混合鐵心電機(jī)相比于硅鋼電機(jī)可較大幅度降低鐵耗。

圖9是電機(jī)滿載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)定子一相電流波形，混合鐵心電機(jī)定子電流是硅鋼電機(jī)的1.23倍。結(jié)合式（7）～式（9）可得定子銅耗與轉(zhuǎn)子銅耗平均值如表4所示。

結(jié)合鐵耗、銅耗數(shù)據(jù)可知，電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，硅鋼電機(jī)與混合鐵心電機(jī)鐵耗與銅耗之和分別為16.83、17.58 kW。非晶合金雖能減少鐵耗，但額定電壓下銅耗較大，使得電機(jī)效率下降。為實(shí)現(xiàn)降損增效，可嘗試降低電機(jī)運(yùn)行電壓來(lái)降低磁場(chǎng)飽和度。

圖10是滿載、降低混合鐵心電機(jī)電壓運(yùn)行至穩(wěn)定時(shí)平均鐵耗的變化情況?？梢钥闯?，鐵耗隨著運(yùn)行電壓下降而增大。其原因是電機(jī)在過(guò)飽和運(yùn)行狀態(tài)下，鐵耗將產(chǎn)生一定波動(dòng)，如圖8（a）所示；當(dāng)電機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)，隨著定子電流的減小，轉(zhuǎn)差率增加，因電機(jī)負(fù)載保持不變，其內(nèi)部磁通密度波動(dòng)增強(qiáng)，鐵耗波動(dòng)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致平均鐵耗增加。

表5是電機(jī)降壓運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)有限元分析得到的一段時(shí)間內(nèi)鐵耗波動(dòng)較大時(shí)定子側(cè)磁密最大值的平均值、最小值的平均值以及平均磁密。因電機(jī)高度飽和，隨著降壓幅度的增大，轉(zhuǎn)差率增加，使磁密分布不均勻性更加明顯，經(jīng)有限元分析可知，混合鐵心電機(jī)磁密最大值增加，磁密最小值保持不變，平均磁密變化較小，表明電機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)，電機(jī)定子側(cè)磁密最大值波動(dòng)較大，定子鐵心仍存在局部飽和，導(dǎo)致鐵耗平均值呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖11是混合鐵心電機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)定子電流與銅耗變化情況?？梢钥闯觯ㄗ与娏髋c定子銅耗均隨運(yùn)行電壓下降而減小。理論上，在負(fù)載不變時(shí)，降壓運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致定子電流增大（有功分量增大），但因電機(jī)處于飽和態(tài)，無(wú)功電流過(guò)大，因此，降壓時(shí)無(wú)功電流降幅大于有功電流增幅，故整體上定子電流是下降的。圖11（b）中轉(zhuǎn)子損耗呈增大趨勢(shì)，這是因?yàn)樨?fù)載不變，降壓致使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條有功電流上升，轉(zhuǎn)子銅耗增大。電機(jī)總銅耗呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

使用非晶合金鐵心替代傳統(tǒng)硅鋼鐵心，降低運(yùn)行電壓時(shí)，定子電流與磁場(chǎng)變化會(huì)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)性能產(chǎn)生一定影響，為確保混合鐵心電機(jī)降壓運(yùn)行具有較好的啟動(dòng)性能，仿真得到兩種電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖12所示。

由圖12（a）知，在相同轉(zhuǎn)速下，混合鐵心電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于硅鋼電機(jī)，就啟動(dòng)性能而言，混合鐵心電機(jī)優(yōu)于硅鋼電機(jī)；由圖12（b）知，當(dāng)降低混合鐵心電機(jī)運(yùn)行電壓時(shí)，啟動(dòng)性能逐漸下降；由圖12（c）知，當(dāng)混合鐵心電機(jī)運(yùn)行電壓降低2%、4%時(shí)，啟動(dòng)性能仍優(yōu)于硅鋼電機(jī)；當(dāng)混合鐵心電機(jī)運(yùn)行電壓降低6%時(shí)，啟動(dòng)性能與硅鋼電機(jī)相當(dāng)；當(dāng)混合鐵心電機(jī)運(yùn)行電壓降低8%時(shí)，此時(shí)硅鋼電機(jī)啟動(dòng)性能優(yōu)于混合鐵心電機(jī)。

圖13是硅鋼電機(jī)與混合鐵心電機(jī)能效比對(duì)?；旌翔F心電機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)，其效率先增大后減小。電機(jī)降壓4%運(yùn)行時(shí)，其效率達(dá)到最大值，此時(shí)電機(jī)總損耗降低0.87 kW，效率為92.39%，比原混合鐵心電機(jī)效率提高0.43%，比硅鋼電機(jī)效率提高0.09%。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為評(píng)估非晶合金對(duì)降低異步電機(jī)損耗的效果，選取一款3kW的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三相籠型異步電機(jī)，其參數(shù)如表6所示。按照該電機(jī)定子硅鋼片結(jié)構(gòu)參數(shù)使用非晶材料加工相同的定子鐵心，并與硅鋼鐵心的轉(zhuǎn)子配合，制作一臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)完全相同的混合鐵心三相鼠籠異步電機(jī)，如圖14所示。

本文電機(jī)能效測(cè)試平臺(tái)由電機(jī)測(cè)試平臺(tái)和測(cè)控柜兩部分構(gòu)成，如圖15（a）、圖15（b）所示。電機(jī)測(cè)試平臺(tái)主要包含電渦流測(cè)功機(jī)、聯(lián)軸器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器以及被測(cè)電機(jī)等模塊，在放置被測(cè)電機(jī)時(shí)，需確保其與測(cè)功機(jī)連接軸對(duì)正，并用壓條和螺紋桿將被測(cè)電機(jī)固定在三維調(diào)節(jié)臺(tái)上；測(cè)控柜設(shè)備包擴(kuò)電機(jī)三相交流電參數(shù)測(cè)量?jī)x、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。為改變異步電機(jī)的運(yùn)行電壓，在進(jìn)線側(cè)串聯(lián)三相自耦調(diào)壓器。負(fù)載實(shí)驗(yàn)采用自動(dòng)加載模式設(shè)置定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)值為2 N·m，記錄不同負(fù)載時(shí)刻下電機(jī)效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速以及電流。

實(shí)驗(yàn)首先在不同機(jī)械負(fù)載下記錄混合鐵心電機(jī)和硅鋼電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，隨后將混合鐵心電機(jī)運(yùn)行電壓依次降低2%、4%，在不同負(fù)載下記錄其運(yùn)行參數(shù)。

圖16為硅鋼電機(jī)、混合鐵心電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)空載與滿載電流比對(duì)。在硅鋼電機(jī)額定電壓下，硅鋼電機(jī)與混合鐵心電機(jī)空載電流分別為2.98與3.55 A，混合鐵心電機(jī)定子已進(jìn)入飽和區(qū)，因此分別在混合鐵心電機(jī)空載和滿載時(shí)，降低其運(yùn)行電壓，降幅為原硅鋼電機(jī)額定電壓的2%和4%?？梢钥吹剑涸诳蛰d狀態(tài)下，隨著電壓和磁場(chǎng)飽和度下降，空載電流顯著減??；在滿載時(shí)定子電流呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增量以有功電流為主。與圖11比較也可以發(fā)現(xiàn)，仿真機(jī)組容量較大，磁場(chǎng)飽和度較高，故降低運(yùn)行電壓帶來(lái)定子電流的下降，而本實(shí)驗(yàn)的小型異步電機(jī)的飽和度較低，其無(wú)功電流比重較小，降壓時(shí)定子電流呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)。

圖17是兩種電機(jī)測(cè)試時(shí)，混合鐵心電機(jī)依次降低電壓的0%、2%、4%，硅鋼電機(jī)保持原電壓不變，定子一相電流隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化曲線。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，兩種電機(jī)定子電流均隨之增大；當(dāng)混合鐵心電機(jī)輕載時(shí)，降低其運(yùn)行電壓，定子電流無(wú)功分量隨之降低，定子電流整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)非晶電機(jī)重載時(shí)，由上文分析知，電壓降低時(shí)定子電流呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖18是硅鋼電機(jī)與混合鐵心電機(jī)在不同電壓運(yùn)行時(shí)效率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化曲線。隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，其效率隨之增大。

圖19（a）、圖19（b）是電機(jī)滿載狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)總損耗與效率的比對(duì)，硅鋼電機(jī)總損耗是混合鐵心電機(jī)總損耗的1.29倍，混合鐵心電機(jī)效率比硅鋼效率高2.75%。當(dāng)混合鐵心電機(jī)降壓2%時(shí)，其效率提高0.36%，降壓4%時(shí)，電機(jī)效率開(kāi)始下降。表7是硅鋼電機(jī)與混合鐵心電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)比對(duì)。由表可知，硅鋼電機(jī)空載電流相對(duì)較小，這一特性在一定程度上反映了其在減少電機(jī)空載損耗方面的優(yōu)勢(shì)，但考慮到電機(jī)效率與材料性能的比較，非晶合金以其獨(dú)特的電磁特性——高磁導(dǎo)率與低矯頑力，預(yù)示著在降低電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的整體能耗、提升能量轉(zhuǎn)換效率方面具備更大潛力。因此，盡管硅鋼電機(jī)在特定條件下（如空載狀態(tài)）表現(xiàn)出良好的電流性能，隨著電機(jī)設(shè)計(jì)向更高效、更緊湊的方向發(fā)展，非晶合金材料因其更為優(yōu)越的電磁性能，正逐漸成為電機(jī)領(lǐng)域材料革新的焦點(diǎn)，預(yù)示著未來(lái)電機(jī)技術(shù)的可能飛躍。

4 結(jié) 論

針對(duì)非晶合金具有較低的磁飽和導(dǎo)致電機(jī)銅耗增加的問(wèn)題，本文提出降低電機(jī)運(yùn)行電壓抑制混合鐵心電機(jī)的磁飽和和損耗的方法，完成了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：

1）在相同運(yùn)行工況下，混合鐵心電機(jī)啟動(dòng)性能不僅優(yōu)于普通硅鋼電機(jī)，且鐵損較小，但非晶鐵心磁密飽和度較低，不利于中型電機(jī)效率提升，對(duì)小型電機(jī)運(yùn)行效率提升較為顯著。

2）無(wú)論是中型混合鐵心電機(jī)還是小型混合鐵心電機(jī)，在滿載運(yùn)行工況下，磁路飽和后電流變大導(dǎo)致銅耗增大問(wèn)題，適當(dāng)降低運(yùn)行電壓，可有效降低電機(jī)損耗，提高混合鐵心電機(jī)運(yùn)行效率。

3）針對(duì)本文提出降壓運(yùn)行提高電機(jī)能效的方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，在滿載工況下，當(dāng)3 kW樣機(jī)降壓2%運(yùn)行時(shí)效率最優(yōu)，總損耗降低2.5%，效率提高0.36%。

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（編輯：劉素菊）